一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法技术

本发明专利技术公开了一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法，包括步骤一：建立薄壁结构的流体力学模型；步骤二：建立步骤一流体力学模型的控制方程；步骤三：根据步骤二的控制方程进行各层同一起点的薄壁结构打印；步骤四：根据步骤三得到的薄壁结构形貌，改变扫描策略，进行薄壁结构智能控形。本发明专利技术的扫描策略可以避免薄壁圆筒在成形过程中产生的凹凸不平的现象，本发明专利技术也可在已经出现凹凸不平的表面时对零件进行修复，可以促进激光定向能量沉积技术更进一步的发展。光定向能量沉积技术更进一步的发展。光定向能量沉积技术更进一步的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法


[0001]本专利技术属于激光增材制造和快速成形
，具体涉及一种薄壁结构打印质量控制方法，尤其涉及一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的不断发展，增材制造技术也步入了一个全新的阶段，而激光定向能量沉积技术是激光增材制造技术的重要组成部分，激光定向能量沉积技术主要是以金属粉末为原材料，利用激光将喷嘴同步送出的金属粉末熔化，在沉积在金属基板上，再逐层的累积堆叠形成目标构件。激
[0003]光定向能量沉积技术具有以下的优点：
[0004](1)无需模具的支撑，可以打印出复杂的金属零件。
[0005](2)相比于激光选区熔化技术，激光定向能量沉积技术可打印零件尺寸较大。
[0006](3)对于受损的零件可直接利用激光定向能量沉积技术进行修复。
[0007]激光定向能量沉积是一个伴随着多种能量变化的多物理场、多尺度的过程，不同的输入参数对最终成形零件的形状、质量和尺寸等都有很大的影响。在激光定向能量沉积过程中，除了基本输入参数外，不同扫描策略对零件成形的质量也有很大的影响，同一种扫描参数往往不能同时适用于成形不同结构的零件。
[0008]对于圆形扫描策略，在打印薄壁结构的过程中，由于熔池内各种力的相互作用下，熔池内的流体会回流导致在初始的部位形成一个凸起，在结尾处会收缩变得扁平，这是影响薄壁打印质量的重要因素。这种现象会导致成形的薄壁结构表面出现凹凸不平的现象，并且对于最终成形的零件性能影响极大，严重限制了激光定向能量沉积技术的进一步发展。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法，可以克服由于扫描策略造成的薄壁结构成形质量缺陷。
[0010]为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0011]一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法，其特征在于，包括：
[0012]步骤一：建立薄壁结构的流体力学模型；
[0013]步骤二：建立步骤一流体力学模型的控制方程；
[0014]步骤三：根据步骤二的控制方程进行各层同一起点的薄壁结构打印；
[0015]步骤四：根据步骤三得到的薄壁圆柱形貌，改变扫描策略，进行薄壁结构智能控形。
[0016]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0017]上述的步骤一具体为：建立薄壁结构的流体力学模型，进行网格的划分，定义材料热物理属性，进行模型初始化；
[0018]上述的步骤二中，所述控制方程包括能量守恒方程、质量守恒方程和动量守恒方程；
[0019]质量守恒方程：
[0020][0021]动量守恒方程：
[0022][0023]能量守恒方程：
[0024][0025]相方程：
[0026][0027]其中，ρ为材料的密度，为速度向量，t为时间，p为压力，μ为动力粘度，为动量源项，为马兰格尼力，为表面张力，为浮力，为糊状区域阻尼力，T为温度，C
p
为比热容，k为热导率，S
T
为能量源项，Q
h
为表面热量，Q
l
为由于热对流、热辐射和蒸发而损失的能量。
[0028]上述的步骤二中，所述模型所用的热源为高斯热源：
[0029][0030]其中f为分布因子，η为吸收率，P为激光功率，r激光半径，(x0，y0)为激光束中心坐标；
[0031]设置的初始温度为298K，温度边界条件为：
[0032]T(x，y，z，0)＝T0(x，y，z)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0033]速度边界条件在各个边界均设置为0。
[0034]上述的步骤四中，当步骤三得到的薄壁结构在首尾的高度差大于设定阈值时，选用相邻层间偏转60
°
和180
°
的扫描策略。
[0035]上述的步骤四中，当步骤三得到的薄壁结构表面起伏大于设定阈值时，采用相邻层分别顺时针和逆时针扫描的扫描策略。
[0036]上述的步骤四中，当步骤三得到的薄壁结构在特定的位置出现高低起伏的现象时，采用各层偏转随机角度的扫描策略。
[0037]上述的步骤四中，当步骤三得到的薄壁结构扫描起始和结尾处的高低不平超出设定条件时，采用周期性变化的扫描策略。
[0038]上述的周期性变化的扫描策略为：
[0039]第一个循环起始点为0度，每层间隔60度，第二个循环起始点为30度，每层间隔60度，之后重复这两个循环；
[0040]或，
[0041]第一个循环起始点为0度，每层间隔60度，第二个循环起始点为30度，每层间隔60度，第三个循环起始点为0度，每层间隔90度，第四个循环起始点为45度，每层间隔90度，之后重复这四个循环。
[0042]上述的步骤四中，实时监控步骤三沉积过程中的高度差，使下一层的起点位于凹陷区域，对凹陷进行补偿，所述高度差指的是薄壁结构顶面距离基板表面最大高度和最小高度之差。
[0043]本专利技术具有以下有益效果：
[0044]本专利技术的扫描策略可以避免薄壁结构在成形过程中产生的凹凸不平的现象，本专利技术也可在已经出现凹凸不平的表面时可对零件进行修复，可以促进激光定向能量沉积技术更进一步的发展。
附图说明
[0045]图1是各层同一个起点扫描的薄壁圆筒图(a)第15层，(b)第30层。
[0046]图2是各层相对前一层偏转180
°
的薄壁圆筒图(a)第12层，(b)第24层。
[0047]图3是各层相对前一层偏转60
°
的薄壁圆筒图(a)第12层，(b)第24层。
[0048]图4是相邻层顺、逆时针扫描，各层同一起点的薄壁圆筒图(a)第12层，(b)第24层。
[0049]图5是相邻层顺、逆时针扫描，后一层相对前一层偏转180
°
的薄壁圆筒图(a)第12层，(b)第24层。
[0050]图6是各层偏转随机角度的薄壁圆筒图(a)第12层，(b)第24层。
[0051]图7是采用周期性变化扫描策略的薄壁圆筒图，(a)第一个循环(b)第二个循环，(c)第12层(d)第24层。
[0052]图8是采用周期性变化扫描策略的薄壁圆筒图，(a)第一个循环(b)第二个循环，(c)第三个循环(d)第四个循环，(e)第12层(f)第24层；
[0053]图9是本专利技术一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法流程图。
具体实施方式
[0054]以下结合附图对本专利技术的实施例作进一步详细描述。
[0055]参照图9，一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法，包括：
[005本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法，其特征在于，包括：步骤一：建立薄壁结构的流体力学模型；步骤二：建立步骤一流体力学模型的控制方程；步骤三：根据步骤二的控制方程进行各层同一起点的薄壁结构打印；步骤四：根据步骤三得到的薄壁结构形貌，改变扫描策略，进行薄壁结构智能控形。2.根据权利要求1所述的一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法，其特征在于，所述步骤一具体为：建立薄壁结构的流体力学模型，进行网格的划分，定义材料热物理属性，进行模型初始化。3.根据权利要求1所述的一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法，其特征在于，步骤二中，所述控制方程包括能量守恒方程、质量守恒方程、动量守恒方程和相方程；质量守恒方程：动量守恒方程：能量守恒方程：相方程：其中，ρ为材料的密度，为速度向量，t为时间,S
m
为质量源项，p为压力，μ为动力粘度，为动量源项，为马兰格尼力，为表面张力，为浮力，为糊状区域阻尼力，T为温度，C
p
为比热容，k为热导率，S
T
为能量源项，Q
h
为表面热量，Q
l
为由于热对流、热辐射和蒸发而损失的能量。4.根据权利要求1所述的一种基于动态补偿策略的薄壁结构智能增材制造精确控形方法，其特征在于，步骤二中，所述模型所用的热源为高斯热源：其中f为分布因子，η为吸收率，P为激光功率，r激光半径，(x0,y0)为激光束中心坐标；设置的初始温度为298K，温度边界条件为：T(x,y,z,0)＝T0(x,y,z)
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(6)速度边界条件在各个边界均设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦辉亮，刘婷婷，廖文和，刘福钦，张昌春，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：